Sicherer Betrieb von Verteilnetzen für erneuerbare Energien in Sachsen

Allgemeine Informationen

Projektnummer	69907408
Projekttitel laut Förderbescheid	SaxoGrid - Sicherer Betrieb von Verteilnetzen für erneuerbare Energien in Sachsen
Akronym	SaxoGrid
Projektlaufzeit	23.04.2018 - 30.11.2021
Forschungsschwerpunkt	Energie und Umwelt
Projektkategorie	Forschung
Projektwebseite	https://saxogrid.projekt.hszg.de/

Inhaltliche Projektbeschreibung

Das Projekt

SaxoGRID ist gefördert im Rahmen des Förderprogramm Nachwuchsforschergruppen der Sächsischen Aufbaubank und ist finanziert aus Mitteln der Europäischen Union und des Freistaates Sachsen.  

Die fünf Wissenschaftler an der Hochschule Zittau/Görlitz und der TU Dresden arbeiten an Aspekten der Betriebssicherheit der sächsischen Verteilnetze. Der Zeitraum des Projektes beläuft sich von Juli 2018 bis Juni 2021.

Ausgangssituation

Die Energiewende in Deutschland und Europa geht mit grundlegenden Änderungen in der Erzeugerstruktur und damit auch den Netzstrukturen einher. Während in der Vergangenheit die Versorgung der Verbraucher durch Großkraftwerke in den Übertragungsnetzen erfolgte, sind regenerative Erzeugungsanlagen größtenteils in den Verteilnetzen platziert.

Die Einspeisung durch regenerative Erzeugungsanlagen erfolgt dabei größtenteils über leistungselektronische Komponenten, die sich in ihrem elektrischen Verhalten wesentlich von den Generatoren konventioneller Kraftwerke unterscheiden. In der Regel werden die neuen Erzeugungsanlagen über Kabel angebunden, infolgedessen der bisherig hohe Freileitungsanteil im 110-kV- und in den Mittelspannungs-Netzen sinkt. Dieser in den letzten 25 Jahren erfolgte und perspektivisch zu erwartende Rückbau der konventionellen Kraftwerke trifft insbesondere auch die sächsischen Verteilnetze. Dies führt zu neuen An- bzw. Herausforderungen an den Betrieb der Netze und an die Betriebsmittel mit deren Isoliersystemen.  

Die Verteilnetze zeichneten sich in der Vergangenheit durch eine hohe Versorgungsqualität aus, die auch in Zukunft beibehalten werden soll. Bisherige Konzepte zur Betriebsführung der Verteilnetze, insbesondere in kritischen Betriebszuständen, basieren aber auf den Netzstrukturen des konventionellen Netzbetriebs. Die Betriebsführung ist bisher auf Freileitungsnetze ausgelegt und muss auf die Anforderungen der Netze mit erhöhtem Kabelanteil und dezentralen regenerativen Erzeugungsanlagen erweitert werden.

Projektziele und Herausforderungen

Konzepte zur Betriebsführung der Verteilnetze müssen auf deren zukünftige Struktur angepasst bzw. neu entwickelt werden. Der wichtigste Bestandteil dieser Konzepte ist die Begrenzung des Erdfehlerstroms auf Werte, die die Personensicherheit und den stabilen Betrieb des Verteilnetzes garantieren. Die zunehmende Verkabelung und der Ausbau der Netze hat jedoch zwangsläufig größere Fehlerströme zur Folge. Des Weiteren führt die Zunahme von leistungselektronischen Baugruppen, sowohl auf der Seite der Erzeuger, als auch auf der Verbraucherseite, zu erhöhten Oberschwingungspegel, welche sich im Netz ausbreiten, Isolierungen beanspruchen und auch einen nicht unerheblichen Beitrag zum Fehlerstrom leisten.

Die Bestimmung und die Auswirkungen dieser erhöhten Fehlerströme und mögliche Gegenmaßnahmen werden derzeit kontrovers diskutiert und sind Bestandteil der Forschung. Die Auswirkungen der zusätzlichen Beanspruchung der Isolierungen der Betriebsmittel durch Oberschwingungen ist bisher weitestgehend unbekannt. Untersuchungen dazu sind folglich zwingend notwendig.

Lösungsansatz

Zusammen mit den Partnern im Projekt werden die Einflüsse von Oberschwingungen in 110-kV- und Mittelspannungs-Netzen untersucht. Hierbei werden sowohl Themen des aus dem Betrieb der Netze, wie Erdungsanlagen und Resonanzen, als auch die Betriebsmittel und deren Isolation näher betrachtet.

Die Forschenden fokussieren sich hierbei jeweils auf eine Thematik. In regelmäßigen Treffen wird sich über Fortschritt und Anregungen ausgetauscht. Die Partnerfirmen sind durch Workshops und direkte Ansprechpartner involviert.

Durch die hohe Aktualität des Themas werden neue Strategien, Methoden und Versuchskonzepte entwickelt. Hierbei werden Simulationen und Messungen im Netz durchgeführt, aber auch Versuchsstände entwickelt um die Einflussgrößen abzudecken und im Kontext anderer Belastungen zu betrachten.

Forschungsschwerpunkte

Der Fokus der Gruppe Hochspannungstechnik liegt auf den Einfluss von Oberschwingungen auf die Zuverlässigkeit von Feststoffisoliersystemen.

Die Arbeitspakete lassen sich in drei Hauptaufgaben unterteilen:

1. Untersuchung der dielektrischen Eigenschaften von ausgewählten festen Isolierstoffen
2. Ermittlung des Durchschlagsverhaltens der Isolierstoffen und ihrer Grenzflächen
3. Prüfung des Teilentladungsverhaltens der ausgewählten Isolierstoffen bzw. ihrer Grenzflächen

Die Untersuchungen sind bei höherfrequenter und verzerrter Spannungsbeanspruchung und unter verschiedenen Prüfbedingungen durchzuführen, um die genaue Einwirkung von Oberschwingungen zu bestimmen.

Der Forschungsschwerpunkt der Gruppe Energieversorgung liegt auf der Untersuchung des Ausbreitungsverhaltens von Oberschwingungen und deren Einfluss auf einpolige Fehlerströme.

Die Arbeitspakete lassen sich in drei Hauptaufgaben unterteilen:

1. Lokalisierung von Oberschwingungsquellen im Netz und Beschreibung von deren Ausbreitungsverhalten
2. Untersuchung des Einflusses verschiedener Netztopologien auf die frequenzabhängige Netzimpedanz und die daraus resultierenden lokalen Oberschwingungspegel
3. Beschreibung des Beitrags der Oberschwingungen zum einpoligen Fehlerstrom

Die gewonnenen Erkenntnisse der beiden Arbeitsgruppen werden zur Bewertung der Versorgungszuverlässigkeit und der Personensicherheit genutzt. Das Ergebnis der Forschung ist der Entwurf angepasster und innovativer Konzepte zur Betriebsführung von Verteilnetzen.

Arbeitspakete

Die Arbeitspakte der Forschungsgruppe sind wie folgt strukturiert:

AP1: Einfluss regenerativer Erzeugungsanlagen und die Ausbreitung von Oberschwingungen

1. Verteilung der OS-Quellen und Bewertung des Einflusses auf den einpoligen Fehlerstrom
2. Einfluss verschiedener Netztopologien auf die frequenzabhängige Netzimpedanz und den einpoligen Fehlerstrom
3. Messungen und Analyse von regionalen Netzen zur Validierung der Modelle in Feldversuchen

AP2: Einfluss von Oberschwingungen auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Isoliersystemen

1. Ermittlung des Kurzzeitverhaltens von ausgewählten Isolierwerkstoffen und deren Kombinationen insbesondere polymerer Isolierwerkstoffe
2. Ermittlung des Langzeitverhaltens von ausgewählten Isolierwerkstoffen, deren Kombinationen und typischen Grenzflächen insbesondere polymerer Isolierwerkstoffe
3. Ermittlung des Teilentladungsverhaltens von ausgewählten Isolierwerkstoffen, deren Kombinationen und typischen Grenzflächen insbesondere polymerer Isolierwerkstoffe
4. Ableitung von Dimensionierungsgrundlagen und Richtlinien zur Entwicklung von Produkte der sächsischen Industrie bei Beanspruchung mit Oberschwingungen

AP3: Angepasste innovative Konzepte des Netzbetriebes für Verteilnetze

1. Bewertung der Versorgungszuverlässigkeit und der Personensicherheit bei einpoligen Fehlern
2. Konzepte zur Fehlerstrombegrenzung
3. Anpassung bisheriger Konzepte für den Netzbetrieb
4. Präsentation der Ergebnisse

AP4: Wissenstransfer

1. Multiplikation der erreichten Expertise in der Lehre
2. Präsentation der Ergebnisse
3. Dokumentation der Ergebnisse

Ergebnisse

Veranstaltungen

Workshop Hochspannungstechnik am 27.02.2020

Der zweite Workshop der Nachwuchsforschergruppe mit dem Thema Hochspannungstechnik fand am 27.02.2020 an der TU Dresden statt. Es wurde sowohl der aktuelle Stand der Technik als auch die ersten Ergebnisse vorgestellt und mit den Teilnehmenden diskutiert. Zu den Teilnehmern zählten Vertreter von Verteilnetzbetreibern, Dienstleister aus der Elektrobranche und akademischer Einrichtungen. Die Vorträge sind im Downloadbereich bereit gestellt.

Die Präsentationen der Nachwuchswissenschaftler stehen im Folgenden zum Download bereit:

Loh – Untersuchung von Isolierstoffen bei erhöhter Frequenz

Linde – Verluste in Feststoffisolierungen bei Oberschwingungen

Workshop Energieversorgung am 29.11.2019

Am 29. November 2019 fand an der TU Dresden ein Workshop zum Bereich der elektrischen Energieversorgung statt. Bei diesem stellte die Arbeitsgruppe Energieversorgung den aktuellen Erkenntnisstand ihrer Forschungsarbeit vor und diskutierte diesen mit den Gästen. Zu den Teilnehmern zählten Vertreter diverser Verteilnetzbetreiber, Dienstleister aus der Elektrobranche und akademischer Einrichtungen. Die Vorträge sind im Downloadbereich bereit gestellt.

Die Präsentationen der Nachwuchswissenschaftler stehen im Folgenden zum Download bereit:

Küchler – Die Aufteilung des Erdschluss-Reststroms im Erdungssystem

Dabow – Ansätze zur Bestimmung von Resonanzen mit Eigenwerten

Frowein – Einflussgrößen auf den Erschluss-Reststrom

Hänsch – Harmonische – Verhalten und Ausbreitung im Netz

Fazit und Diskussion

Veröffentlichungen

• T. Linde, K. Backhaus, J. Stahl, T. Kaffenberger
  Comparison of the Dissipation Factor of Insulating Resin With and Without Anhydride Curing Agents
  IEEE 2020 International Conference on Dielectrics (IEEE ICD 2020), Valencia, Spain, 05.-09.07.2020. Abstract accepted, full paper accepted, 2020
• T. Linde, K. Backhaus
  Comparison of Dielectric Loss Measuring Methods on Epoxy Samples under Harmonic Distorted VoltagesVDE Hochspannungstechnik, Berlin, Deutschland, 09.-11.11.2020. Abstract accepted, full paper submitted, 2020

Weitere Daten

• Ansprechpartner

  • Herr Prof. Stefan Kornhuber (Projektleitung)
  • Herr Prof. Uwe Schmidt (Projektleitung)
  • Herr Jonas Dabow
  • Herr Jonathan Hänsch
  • Herr Benjamin Küchler
  • Frau Jun Ting Loh
  • Herr Thomas Linde

• Fördermittelgeber

  • 100339502 - ESF/SAB Nachwuchsforschergruppe 2018 - 2021
  
  
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• Finanzierung

  • 1.042.810,00 €

• Kooperationen mit externen Partnern

  • BBC Group Behr Bircher Cellpack BBC AG
  • DREWAG NETZ GmbH
  • Energy Saxony e.V.
  • ENSO Netz GmbH
  • HIGHVOLT Prüftechnik Dresden GmbH
  • KABELWERK MEISSEN Wilhelm Balzer GmbH
  • Mitteldeutsche Netzgesellschaft Strom mbH
  • Ritz Instrument Transformers GmbH
  • SGB-SMIT GmbH
  • Stadtwerke Zittau GmbH
  • TU Dresden
  • VEM transresch GmbH